【数据结构（邓俊辉）学习笔记】栈与队列01——栈接口与应用

本文主要是介绍【数据结构（邓俊辉）学习笔记】栈与队列01——栈接口与应用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

0. 概述

介绍下栈的接口与应用。

1. 操作与接口

2. 操作实例

3. 实现

基于向量

#include "Vector/Vector.h" //以向量为基类，派生出栈模板类
template <typename T> 
class Stack: public Vector<T> { //将向量的首/末端作为栈底/顶
public: //原有接口一概沿用void push ( T const& e ) { insert ( e ); } //入栈：等效于将新元素作为向量的末元素插入T pop() { return remove ( size() - 1 ); } //出栈：等效于删除向量的末元素T& top() { return ( *this ) [size() - 1]; } //取顶：直接返回向量的末元素
};

基于列表

#include "List/List.h" //以列表为基类，派生出栈模板类
template <typename T> 
class Stack: public List<T> { //将列表的首/末端作为栈底/顶
public: //原有接口一概沿用void push ( T const& e ) { insertAsLast ( e ); } //入栈：等效于将新元素作为列表的末元素插入T pop() { return remove ( last() ); } //出栈：等效于删除列表的末元素T& top() { return last()->data; } //取顶：直接返回列表的末元素
};

4. 栈与递归

5. 应用

典型应用场合

5.1 逆序输出

5.1.1 进制转换

5.1.1.1 思路

5.1.1.2 算法实现

1. 递归实现

void convert ( Stack<char>& S, __int64 n, int base ) { //十进制数n到base进制的转换（递归版）static char digit[] //0 < n, 1 < base <= 16，新进制下的数位符号，可视base取值范围适当扩充= { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F' };if ( 0 < n ) { //在尚有余数之前，不断convert ( S, n / base, base ); //通过递归得到所有更高位S.push ( digit[n % base] ); //输出低位}
} //新进制下由高到低的各数位，自顶而下保存于栈S中

2. 迭代实现

优化点：
这里的静态数位符号表在全局只需保留一份，但与一般的递归函数一样，该函数在递归调用栈中的每一帧都仍需记录参数S、n和base。将它们改为全局变量固然可以节省这部分空间，但依然不能彻底地避免因调用栈操作而导致的空间和时间消耗。

改写成迭代版将空间消耗降至O(1)。

void convert ( Stack<char>& S, __int64 n, int base ) { //十进制数n到base进制的转换（迭代版）static char digit[] //0 < n, 1 < base <= 16，新进制下的数位符号，可视base取值范围适当扩充= { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F' };while ( n > 0 ) { //由低到高，逐一计算出新进制下的各数位int remainder = ( int ) ( n % base ); S.push ( digit[remainder] ); //余数（当前位）入栈n /= base; //n更新为其对base的除商}
} //新进制下由高到低的各数位，自顶而下保存于栈S中

5.2 递归嵌套

5.2.1 栈混洗

5.2.1.1 混洗

栈混洗就是按照某种约定的规则对栈中元素进行重新的排列。

上图采用约定尖括号<表示栈顶，方括号]表示栈底。

在遵守以上规则的前提下，同一输入序列完全可以导出不同的栈混洗序列。

n个元素的栈混洗总数不会超过全排列n！。

一般地对于长度为n的输入序列，每一栈混洗都对应于由栈S的n次push和n次pop构成的某一合法操作序列比如[ 3, 2,4, 1> 
即对应于操作序列： {push, push, push, pop, pop, push, pop, pop } 
反之，由n次push和n次pop构成的任何操作序列，只要满足“任一前缀中的push不少于pop”这一限制，则该序列也必然对应于
某个栈混洗。

5.2.1.2 计数

假定输入栈A中共有n个元素，自顶向下依次编号为1，2，3 … n。将注意力放在第一个元素1上，它将被首次推入中转栈S中，若1号元素被弹出，则栈S就是空栈，此时在栈B中包括刚推入的1号元素，累计共有k个元素。那么栈A中就应该还留存有最后的n-k个元素。此时B中k个元素和A中n-k个元素它们的栈混洗是相互独立的，故1号元素作为第k个元素被推入B中的情况，累计栈混洗总数如下

5.2.1.3 甄别

5.2.2 括号匹配

5.2.2.1 构思

5.2.2.2 实现

算法思想：只要将push、pop操作分别与左、右括号相对应，则长度为n的栈混洗，必然与由n对括号组成的合法表达式彼此对应。 比如，栈混洗[ 3, 2, 4, 1 >对应于表达式"( ( ( ) ) ( ) )"。按照这一理解，借助栈结构，只需扫描一趟表达式，即可在线性时间内，判定其中的括号是否匹配。

bool paren ( const char exp[], int lo, int hi ) { //表达式括号匹配检查，可兼顾三种括号Stack<char> S; //使用栈记录已发现但尚未匹配的左括号for ( int i = lo; i <= hi; i++ ) /* 逐一检查当前字符 */switch ( exp[i] ) { //左括号直接进栈；右括号若与栈顶失配，则表达式必不匹配case '(': case '[': case '{': S.push ( exp[i] ); break;case ')': if ( ( S.empty() ) || ( '(' != S.pop() ) ) return false; break;case ']': if ( ( S.empty() ) || ( '[' != S.pop() ) ) return false; break;case '}': if ( ( S.empty() ) || ( '{' != S.pop() ) ) return false; break;default: break; //非括号字符一律忽略}return S.empty(); //整个表达式扫描过后，栈中若仍残留（左）括号，则不匹配；否则（栈空）匹配
}

5.2.2.3 实例

5.3 延迟缓冲

在一些应用问题中，输入可分解为多个单元并通过迭代依次扫描处理，但过程中的各步计算往往滞后于扫描的进度，需要待到必要的信息已完整到一定程度之后，才能作出判断并实施计算。在这类场合，栈结构则可以扮演数据缓冲区的角色。

中缀表达式算法的求解过程同逆波兰表达式算法，下面介绍下。

5.3.1 中缀表达式

5.3.1.1 表达式求值

5.3.1.2 优先级表

将不同运算符之间的运算优先级关系，描述为一张二维表格。

#define N_OPTR 9 //运算符总数
typedef enum { ADD, SUB, MUL, DIV, POW, FAC, L_P, R_P, EOE } Operator; //运算符集合
//加、减、乘、除、乘方、阶乘、左括号、右括号、起始符与终止符const char pri[N_OPTR][N_OPTR] = { //运算符优先等级 [栈顶] [当前]/*              |-------------------- 当 前 运 算 符 --------------------| *//*              +      -      *      /      ^      !      (      )      \0 *//* --  + */    '>',   '>',   '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   '>',   '>',/* |   - */    '>',   '>',   '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   '>',   '>',/* 栈  * */    '>',   '>',   '>',   '>',   '<',   '<',   '<',   '>',   '>',/* 顶  / */    '>',   '>',   '>',   '>',   '<',   '<',   '<',   '>',   '>',/* 运  ^ */    '>',   '>',   '>',   '>',   '>',   '<',   '<',   '>',   '>',/* 算  ! */    '>',   '>',   '>',   '>',   '>',   '>',   ' ',   '>',   '>',/* 符  ( */    '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   '=',   ' ',/* |   ) */    ' ',   ' ',   ' ',   ' ',   ' ',   ' ',   ' ',   ' ',   ' ',/* -- \0 */    '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   '<',   ' ',   '='
};

5.3.1.3 求值算法

double evaluate ( char* S, char* RPN ) { //对（已剔除白空格的）表达式S求值，并转换为逆波兰式RPNStack<double> opnd; Stack<char> optr; //运算数栈、运算符栈 /*DSA*/任何时刻，其中每对相邻元素之间均大小一致/*DSA*/ char* expr = S;optr.push ( '\0' ); //尾哨兵'\0'也作为头哨兵首先入栈while ( !optr.empty() ) { //在运算符栈非空之前，逐个处理表达式中各字符if ( isdigit ( *S ) ) { //若当前字符为操作数，则readNumber ( S, opnd ); append ( RPN, opnd.top() ); //读入操作数，并将其接至RPN末尾} else //若当前字符为运算符，则switch ( priority ( optr.top(), *S ) ) { //视其与栈顶运算符之间优先级高低分别处理case '<': //栈顶运算符优先级更低时optr.push ( *S ); S++; //计算推迟，当前运算符进栈break;case '=': //优先级相等（当前运算符为右括号或者尾部哨兵'\0'）时optr.pop(); S++; //脱括号并接收下一个字符break;case '>': { //栈顶运算符优先级更高时，可实施相应的计算，并将结果重新入栈char op = optr.pop(); append ( RPN, op ); //栈顶运算符出栈并续接至RPN末尾if ( '!' == op ) //若属于一元运算符opnd.push ( calcu ( op, opnd.pop() ) ); //则取一个操作数，计算结果入栈else { //对于其它（二元）运算符double opnd2 = opnd.pop(), opnd1 = opnd.pop(); //取出后、前操作数 /*DSA*/提问：可否省去两个临时变量？opnd.push ( calcu ( opnd1, op, opnd2 ) ); //实施二元计算，结果入栈}break;}default : exit ( -1 ); //逢语法错误，不做处理直接退出}//switch/*DSA*/displayProgress ( expr, S, opnd, optr, RPN );}//whilereturn opnd.pop(); //弹出并返回最后的计算结果
}

算法思想：
~~~~~~~        该算法自左向右扫描表达式，并对其中字符逐一做相应的处理。那些已经扫描过但（因信息不足）尚不能处理的操作数与运算符，将分别缓冲至栈opnd和栈optr。一旦判定已缓存的子表达式优先级足够高，便弹出相关的操作数和运算符，随即执行运算，并将结果压入栈opnd。
~~~~~~~        请留意这里区分操作数和运算符的技巧。一旦当前字符由非数字转为数字，则意味着开始进入一个对应于操作数的子串范围。由于这里允许操作数含有多个数位，甚至可能是小数。

void readNumber ( char*& p, Stack<double>& stk ) { //将起始于p的子串解析为数值，并存入操作数栈stk.push ( ( double ) ( *p - '0' ) ); //当前数位对应的数值进栈while ( isdigit ( * ( ++p ) ) ) //若有后续数字（多位整数），则stk.push ( stk.pop() * 10 + ( *p - '0' ) ); //追加之（可能上溢）if ( '.' == *p ) { //若还有小数部分double fraction = 1; //则while ( isdigit ( * ( ++p ) ) ) //逐位stk.push ( stk.pop() + ( *p - '0' ) * ( fraction /= 10 ) ); //加入（可能下溢）}
}

根据当前字符及其后续的若干字符，利用另一个栈解析出当前的操作数。解析完毕，当前字符将再次聚焦于一个非数字字符。

不同优先级的处置如下：
调用priority ()函数，将其与栈optr的栈顶操作符做一比较之后，即可视二者的优先级高低，分三种情况相应地处置。

Operator optr2rank ( char op ) { //由运算符转译出编号switch ( op ) {case '+' : return ADD; //加case '-' : return SUB; //减case '*' : return MUL; //乘case '/' : return DIV; //除case '^' : return POW; //乘方case '!' : return FAC; //阶乘case '(' : return L_P; //左括号case ')' : return R_P; //右括号case '\0': return EOE; //起始符与终止符default  : exit ( -1 ); //未知运算符}
}char priority ( char op1, char op2 ) //比较两个运算符之间的优先级
{ return pri[optr2rank ( op1 ) ][optr2rank ( op2 ) ]; }

将其与栈optr的栈顶操作符做一比较之后，即可视二者的优先级高低，分三种情况相应地处置。

1）若当前运算符的优先级更高，则optr中的栈顶运算符尚不能执行
2）反之，一旦栈顶运算符的优先级更高，则可以立即弹出并执行对应的运算一目运算符！弹出一个数，双目运算符弹出两个数。
3）当前运算符与栈顶运算符的优先级“相等”对右括号的上述处理方式，将在optr栈顶出现操作符'('时终止。除左、右括号外，还有一种优先级相等的合法情况，即pri['\0']['\0'] = '='。

5.3.2 逆波兰表达式（后缀表达式）

5.3.2.1 RPN

5.3.2.2 RPN实例

5.3.2.3 infix 到postfix 转换

上述evaluate()算法在对表达式求值的同时，也顺便完成了从常规表达式到RPN表达式的转换。

该算法借助append()函数将各操作数和运算符适时地追加至串rpn的末尾，直至得到完整的RPN表达式。

void append ( char* rpn, double opnd ) { //将操作数接至RPN末尾char buf[64];if ( ( int ) opnd < opnd ) sprintf ( buf, "%6.2f \0", opnd ); //浮点格式，或else                       sprintf ( buf, "%d \0", ( int ) opnd ); //整数格式strcat ( rpn, buf ); //RPN加长
}void append ( char* rpn, char optr ) { //将运算符接至RPN末尾int n = strlen ( rpn ); //RPN当前长度（以'\0'结尾，长度n + 1）sprintf ( rpn + n, "%c \0", optr ); //接入指定的运算符
}

这里，在接入每一个新的操作数或操作符之前，都要调用realloc()函数以动态地扩充RPN表达式的容量，因此会在一定程度上影响时间效率。
在十分注重这方面性能的场合，读者可以做适当的改进——比如，有必要扩容时即令容量加倍。

这篇关于【数据结构（邓俊辉）学习笔记】栈与队列01——栈接口与应用的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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